水力压裂毕业论文

浅议煤矿煤层的开采技术摘要：由于煤层的自然条件和采用的机械不同，完成回采工作各工序的方法也就不同，并且在进行的顺序、时间和空间上必须有规律地加以安排和配合。这种在采煤工作面内按照一定顺序完成各项工序的方法及其配合，称为采煤工艺。在一定时间内，按照一定的顺序完成回采工作各项工序的过程，称为采煤工艺过程。关键词：开发技术 煤炭工艺 煤炭一、煤炭开采的主要形式（一）井下采煤井下采煤的顺序。对于倾角10°以上的煤层一般分水平开采，每一水平又分为若干采区，先在第一水平依次开采各采区煤层，采完后再转移至下一水平。开采近水平煤层时，先将煤层划分为几个盘区，立井于井田中心到达煤层后，先采靠近井筒的盘区，再采较远的盘区。如有两层或两层以上煤层，先采第一水平最上面煤层，再自上而下采另外煤层，采完后向第二水平转移。按落煤技术方法，地下采煤有机械落煤、爆破落煤和水力落煤三种，前二者称为旱采，后者称为水采，我国水采矿井仅占。旱采包括壁式采煤法和柱式采煤法，以前者为主。壁式采煤法工作面长，一般100～200 m，可以容纳功率大，生产能力高的采煤机械，因而产量大，效率高。柱式采煤法工作面短，一般6～30 m，由于工作面短，顶板易维护，从而减少了支护费用，主要缺点是回采率低。（二）露天采煤移走煤层上覆的岩石及覆盖物，使煤敞露地表而进行开采称为露天开采，其中移去土岩的过程称为剥离，采出煤炭的过程称为采煤。露天采煤通常将井田划分为若干水平分层，自上而下逐层开采，在空间上形成阶梯状。其主要生产环节：首先用穿孔爆破并用机械将岩煤预先松动破碎，然后用采掘设备将岩煤由整体中采出，并装入运输设备，运往指定地点，将运输设备中的剥离物按程序排放于堆放场；将煤炭卸在洗煤厂或其他卸矿点。主要优缺点优点为生产空间不受限制，可采用大型机械设备，矿山规模大，劳动效率高，生产成本低，建设速度快。另外，资源回采率可达90%以上，资源利用合理，而且劳动条件好，安全有保证，死亡率仅为地下采煤的1/30左右。主要缺点是占用土地多，会造成一定的环境污染，而且生产过程需受地形及气候条件的制约。在资源方面，对煤赋存条件要求较严，只宜在埋藏浅，煤层厚度大的矿区采用。二、采煤方法与工艺在发展现代采煤工艺的同时，继续发展多层次、多样化的采煤工艺，建立具有中国特色的采煤工艺理论。我国长壁采煤方法已趋成熟，放顶煤采煤的应用在不断扩展，应用水平和理论研究的深度和广度都在不断提高，急倾斜、不稳定、地质构造复杂等难采煤层采煤方法和工艺的研究有很大空间，主要方向是改善作业 条件，提高单产和机械化水平。（一）开采技术开发煤矿高效集约化生产技术、建设生产高度集中、高可靠性的高产高效矿井开采技术。以 提高工作面单产和生产集中化为核心，以提高效率和经济效益为目标，研究开发各种条件下 的高效能、高可靠性的采煤装备和工艺，简单、高效、可靠的生产系统和开采布置，生产过 程监控与科学管理等相互配套的成套开采技术，发展各种矿井煤层条件下的采煤机械化，进一步改进工艺和装备，提高应用水平和扩大应用范围，提高采煤机械化的程度和水平。（二）解决难题开发“浅埋深、硬顶板、硬煤层高产高效现代开采成套技术”，主要解决以下技术难题。硬顶板控制技术，研究埋深浅、地压小的硬厚顶板控制技术，主要通过岩层定向水力 压裂、倾斜深孔爆破等顶板快速处理技术，使直接顶能随采随冒，提高顶煤回收率，且基本 顶能按一定步距垮落，既有利于顶煤破碎，又保证工作面的安全生产。硬厚顶煤控制技术，研究开发埋深浅、支承压力小条件硬厚顶煤的快速处理技术，包括高压 注水压裂技术和顶煤深孔预爆破处理技术，使顶煤体能随采随冒，提高其回收率。顶煤冒放性差、块度大的综放开采成套设备配套技术，研制既有利于顶煤破碎和顶板控制， 又有利于放顶煤的新型液压支架，合理确定后部输送机能力。 两硬条件下放顶煤开采快速推进技术，研究合适的综放开采回采工艺，优化工序，缩短放煤 时间，提高工作面的推进度，实现高产高效。5～宽煤巷锚杆支护技术，通过宽煤巷锚 杆支护技术的研究开发和应用，有利于综采配套设备的大功率和重型化，有助于连续采煤机 的应用，促进工作面的高产高效。（三）缓倾斜薄煤层长壁开采主要研究开发：体积小、功率大、高可靠性的薄煤层采煤机 、刨煤机；研制适合刨煤机综采的液压支架；研究开发薄煤层工作面的总体配套技术和高效开采技术。（四）缓倾斜厚煤层一次采全厚大采高长壁综采应进一步加强完善支架结构及强度，加 强 支架防倒、防滑、防止顶梁焊缝开裂和四连杆变形、防止严重损坏千斤顶措施等的研究，提高支架的可靠性，缩小其与中厚煤层(采高3m左右)高产高效指标的差距。（五）各种综采高产高效综采设备保障系统要实现高产高效，就要提高开机率，对“支架—围岩”系统、采运设备进行监控。今后研究的重点是：通过电液控制阀组操纵支架和改善“支架—围岩”系统控制，进一步完善液压信息、支架位态、顶板状态、支护质量信息的自动采集系统；乳化液泵站及液压系统运行状态的检测诊断；采煤机在线与离线相结合的“油 —磨屑”监测和温度、电信号的监测；带式输送机、刮板输送机全面状态监控。三、主要的开采技术（一）深矿井开采技术深矿井开采的关键技术是：煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、瓦斯和热害治理及深井通风、井巷布置等；需要攻关研究的是：深井围岩状态和应力场及分布状态的特征；深井作业场所工作环境的变化；深井巷道（特别是软岩巷道）快速掘进与支护技术与装备；深井冲击地压防治技术与监测监控技术；深矿井高产高效开采有关配套技术；深矿井开采热害治理技术与装备。（二）“三下”采煤技术提高数值模拟计算和相似材料模拟等，深入研究开采上覆岩层运动和地表下陷规律，研究满足地表、建筑物、地下水资源保护需要的合理的开采系统和优化参数，发展沉降控制理念和关键技术，包括用地表废料向垮落法工作面采空区充填的系统；研究与应用各种充填技术和组合充填技术，村庄房屋加固改造重建技术，适于村庄保护的开采技术；研究近水体开采的开采设计，工艺参数优化和装备，提出煤炭开采与煤炭城市和谐统一的开采沉陷控制、开采村庄下压煤、土地复垦和矿井水资源化等关键技术。（三）优化巷道布置，减少矸石排放的开采技术改进、完善现有采煤方法和开采布置，以实现开采效益最大化为目标，研究开发煤矿地质条件开采巷道布置及工艺技术评价体系专家系统，实现开采方法、开采布置与煤层地质条件的最优匹配。实行全煤巷布置单一煤层开采，矸石基本不运出地面，生产系统要减化，同时实现中采与中掘同走发展，生产效率大幅提高的经验的同时，重点研究高产高效矿井，开拓部署与巷道布置系统的优化，减化巷道布置，优化采区及工作面参数，研究单一煤层集中开拓，集中准备、集中回采的关键技术，大幅度降低岩巷掘进率，多开煤巷，减少出矸率；研究矸石在井下直接处理、作为充填材料的技术，既是减少污染的一项有利措施，又减化了生产系统，有利于高产高效集中化开采，应加紧研究。采煤方法和工艺的进步和完善始终是采矿学科发展的主题。采煤工艺的发展将带动煤炭开采各环节的变革，现代采煤工艺的发展方向是高产、高效、高安全性和高可靠性，基本途径是使采煤技术与现代高新技术相结合，研究开发强力、高效、安全、可靠、耐用、智能化的采 煤设备和生产监控系统，改进和完善采煤工艺。

张金成1 王爱国1 王小剑1 丁娜2

(1.大港油田石油工程研究院 天津 300280 2.青海油田钻采工艺研究院 敦煌 736002)

摘要:本文介绍一种应用地球物理方法，即电位法测定压裂裂缝方位、长度等参数的测试技术，它是针对油(煤)层所固有的特点，进行了大量室内外试验及理论研究后取得的科研成果。在简要阐述电位法测试技术的基本原理、测量方法及测量仪器的基础上，文章重点对山西吉试1井、延长油矿8118井的现场应用效果进行了分析，证明了电位法测试技术的可行性及在油(煤)层气田勘探与开发领域中所发挥的重要作用。

关键词:电位法 测量仪器 测量工艺 裂缝监测

Dynamic Testing Technology of Orientation by Potentiometry Method for Coalbed Fracturing

ZHANG Jincheng1WANG Aiguo1WANG Xiaojian1DING Na2

1. Dang Gang Oil Field Co，Tianjin 300280，China; 2. Qing Hai Oil Field Co，Dunhuang 736002，China

Abstract: An applied geophysics method is introduced in this paper and this is a new testing technology of o- rientation and length by testing potentiometry of coal-bed fracturing. For attaining the scientific research，substan- tial field experiment and the theory study was carried out based on a large number of physical model and indoor ex- periments against the inherent characteristics of coal-bed seams. The measurement technology was assessed in ap- plication that it had high accuracy and not any break to production compared with other measurement meth- ods. After showed the fundamental principles of testing、measuring instruments and measuring methods，the tes- ting data of well JiShi 1 and well WuShi 5 3 was focusly analyzed and the result indicated the testing technology of orientation by potentiometry method was entirely feasible and had more significance for coal-bed fracturing.

Keywords: Potentiometry method; Measuring instruments; Measuring technique; Orientation of coal-bed fracturing

作者简介: 张金成，1961 年生，高级工程师; 1990 年毕业于成都地质学院物探系，2002 年毕业于吉林大学地探学院，获工程硕士学位; 先后在有关刊物发表学术论文十余篇，电位法井间监测技术研究获大港油田集团一等奖; 多年来一直从事井间监测技术的研究工作。联系电话: () E mail: zjc_ 2056@sohu. com

1 研究背景

对煤层气藏的可采储量进行经济评价后，若要经济的开采煤层气，煤层中必须发育并广泛分布裂缝系统(割理面必须与井筒相联)，这样才能加速煤层气的排水降压，促使煤层气解吸并流向井底。众所周知，煤层的主要特征表现在:煤层割理发育、弹性模量低，这样水力压裂在煤层中形成和支撑长裂缝是极其困难的。鉴于此，人们常把水力压裂看作是一种将井筒与割理系统连通的作业过程，但远离井筒后还仍然是与普通砂岩一样，主要以平行于最大主应力方向的弯弯曲曲的垂直裂缝和水平裂缝为主。

针对煤层固有的特点(近于非弹性体)，在“九五”期间进行了地面电位法测定煤层气井压裂裂缝方位的研究与试验工作，2000年在地面电位法技术的基础上，又开展了《动态法测定压裂井压裂裂缝监测技术》的研究工作，成功的研制出DCT50型动态影像监测系统，该系统可对压裂全过程实现实时、可视化动态监测，进一步扩大了方法的应用范围。在此基础上，2008年又开展了一体化精密仪器系统DDPI—EM的研发，并申请相关发明专利两项，这套系统能提供一种高测量精度的、抗干扰的能加载伪随机编码的可控信号，其中的可控信号加载有伪随机编码，在煤层气井内深层发射，在地面测试人工电场时，能够排除干扰背景，可清晰地分辨深层低阻异常体。至此，形成了完整的具有鲜明特色的动态法测定煤层气压裂裂缝方位技术。

2 测试原理和基本公式

假设地层是一个无限大的均匀介质，若通过导线及套管以恒定电流向地层供电，在地层中则形成一人工电场，在供电电极以外任一点M(x，y，z)观测电场的电位为:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

对于平面环形测量来说，只与井深h和测量环半径r有关，上式可改写为:

中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集

式中:ρ为地层视电阻率(Ω·m);I为供电电流强度(A);h为测试目的层深度(m);r为观测点M到点源dz之间的距离(m)。

当场源为任意形状时，计算外电场电位应在场源处划出一个面元ds，如果ds处的电流密度为j，则从ds处流出的电流为jds，它在观测点M产生的电位dUM仿上式可写为:

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积分得外电场电位:

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从(3)式看出，当观测点M相同时，由于场源的几何形状不同，所产生的电位值也不相同。

压裂施工中，如果所用的压裂液相对于地层为一个良导体，即液体电阻率与地层介质的电阻率相比差异较大时，利用被测井套管向地层供以高稳定度的电流(被伪随机码调制)，这部分压裂液在地层中即可看作为一个场源，由于它的存在将使原电场(未进行压裂施工前的地面电场)的分布形态发生变化，即大部分电流集中到低阻体带，这样势必造成地面的电流密度减小，地面电流密度减小相应的地面电位也会发生较大的变化。鉴于此，若在被测压裂井周围环形布置多组测点，采用高精度的电位观测系统，实时监测压裂施工过程中地面电位变化，并通过一定的数据处理，就可达到实时解释裂缝延伸方位等有关参数的目的(图1)。

图1 压裂裂缝监测原理图

3 测量仪器系统

系统的总体研制方案(图2):整体仪器设计其主要的设计思想就是采用整体系统思维方法，不再认为发射仪和接受仪是各自独立的模块，而是相互共同工作和反馈的统一体，它们由单片机C8051F236共同管理。单片机与个人电脑进行通讯，最终实现由计算机统一管理，最终仪器系统主要性能指标如下:

·最大输出电流:20A;

·最大输出电压:500V;

·稳流精度:1%内(在负载变化±20%，输入变化±20%以内);

·频率稳定度:;

·输入阻抗:80MΩ;

·分辨率:1μV;

·电位测量精度:优于;

·动态监测范围±2V。

图2 系统总体研制方案

4 野外工作的方法技术

测点及测线布置

测点的布置是以A井为圆心环形设置内(N)、中(COM)、外(M)呈放射状对应的多环测点，测点间夹角为15°，测环半径可用经纬仪或红外测距仪测定，同时测点位置要有明显的标志，以保证两次测量没有几何误差;在测点布置完后敷设测网，在有条件的地区，测量电极、测量线及供电线预先埋设或布置，这是保证测量精度的重要方面(图3)。

图3 测点及测线布置

B井的选择

在压裂井A周围形成人工电场，还应在A周围再选一口井B使之与压裂井A形成闭合回路，AB两井之间距离一般应大于A井的压裂层段深度，而不应太小，这样做改善了AB间表层电流密度大的情况，有利于提高充电异常的分辨力，通常遵循以下原则进行选择:(1)AB之间距离D>压裂层位的深度H(m)，(2)B井深度HB≥A井压裂层位的深度H(m)。

降低压裂液电阻率

压裂液电阻率与压裂层段围岩介质电阻率的差异越大，就越有利于异常显示。为了达到这个目的。压裂施工中必须在压裂液中加入有利于导电的金属盐类，通常可按3%比例在压裂液中加入食盐即能达到导电性差异的要求。

施工工序

主要施工步骤如下:①按施工设计布置测点(夹角一般为15°，测环数随地质任务而定)、测线及供电线;②选择发送与接收系统参数(如码宽度和码长)，进行调试使之满足设计要求的测量精度;③注液施工，同时测试工作也开始进行，直至注液施工结束。

数据处理

在实际数据处理工作中，我们选用了“视纯异常法”进行数据处理，考虑供电电流的变化，需要对注入工作液前、后测得的电位差数据进行了归一处理。即:

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式中:US为标准视纯异常(mV/A);UQMN、UHMN分别为注入工作液前、后测得的电位差数据(mV);IQ、IH分别为注入工作液前、后时的供电电流(A)。

数据处理后，给出了视纯异常曲线图和环形图。在视纯异常曲线图中横坐标表示测点的方位角，纵坐标表示视纯异常值;在视纯异常环形图中，圆点为被测井，环外标出测试点方位角，正北方向(N)为0°并顺时针旋转，90°为正东(E)方向、180°为正南(S)方向、270°为正西(W)方向。

5 现场应用实例

吉试1井测试

吉试1井是煤层气项目经理部在山西大宁吉县地区部署的一口煤层气勘探评价井，其地理位置在山西省蒲县皮条沟村西200m，构造位置为鄂尔多斯盆地东部晋西饶褶带古驿背斜。为了确定吉试1井煤层压裂裂缝的延伸方向，煤层气项目经理部委托大港油田钻采院，对该井的8#煤的压裂裂缝方向进行测试，由图4至图6可以看出:Us视纯异常曲线在360°范围内出现了近两个周期的变化，极小值分别对应了(N45°E)和(S45°W)，且两者的异常幅度差很大。认为压裂施工所形成的裂缝为一对称不等长裂缝，根据反演计算，(N45°E)方向的裂缝长度为89m，(S45°W)方向的裂缝长度为66m(图6)。

武试5-3井测试

图4 吉试1井8#煤80100视纯异常曲线

图5 吉试1井8#煤100120米视纯异常曲线

武试5井组的各井位置见图7所示，本次现场实施压裂裂缝测试的是武试53井，试验井组所在区块以往探井的施工资料表明该区块延伸压力梯度变化很大，部分井延伸压力梯度很高，尤其是中心井武试5井，延伸压力梯度高达，在前置液阶段甚至高达，一方面反映了区域煤层的非均质性，另一方面反应煤层裂缝非常复杂，延伸困难。总体评价是:特低孔、特低渗，目的层上下隔层有一定的应力遮挡效果;延伸压力梯度变化较大，部分井延伸压力梯度较高，煤层多裂缝发育程度高，裂缝延伸困难。

图6 吉试1井8#煤测试成果图

图7 武试5井组位置图

现场测试资料数据处理后所得到的视纯异常曲线见图8至图10，①视纯异常曲线在360°范围内出现了近两个周期的变化，认为压裂施工中，形成了两翼对称不等长裂缝，裂缝中心方位角为30°和210°方向，其中60°方向为长裂缝(图8，9);②经模拟计算，30°方向裂缝长度为，210°方向裂缝长度为(见图10)。

图8 武试5—3井视纯异常曲线

6 结论

应用地球物理方法来研究和确定油(煤)层水力压裂裂缝方位，在生产与科研中具有实际应用的意义，同时该研究成果也为电位法开辟了新的领域。它是以充电法的基本理论为依据，通过对结合实际所给数学模型的合理分析和比较系统的物理模拟试验取得的，如按所提供的一套野外工作方法与技术并采用研制的动态观测系统在所论的条件下，可较成功的用来确定埋藏深度在3000m以内压裂裂缝的主导方位和该基础上所进行的裂缝长度的预测研究，这不仅对研究压裂工艺效果，合理的经济的制定开发方案有一定的指导意义，而且对解决其他类似工程问题也有一定的参考价值，故具有广阔的应用前景。

图9 武试5—3井视纯异常环形图

图10 武试5-3井裂缝长度等值线图

参 考 文 献

傅良魁主编 . 1983. 电法勘探教程 . 地质出版社，5，( 1) 16 ～17

江汉石油学院测井教研室编 . 1981. 测井资料解释 . 石油工业出版社

张金成 . 2001. 电位法井间监测技术 . 地震地质 Vol. 23 ( 2) 292 ～300

Bartel L C，McCann R P and KecK L J. 1976. SPE 6090. Presented at the SPE 51st Annual Fall Meeting in New Orleans， Louisiana，Oct. 4 ～ 6.

McCann R P and KecK L J. 1976. SAND 76 0379，Sandia Laboratories，Aug.